ニトリルブタジエンゴム（NBR）は数十年にわたり風力タービンのシール材として主流でしたが、ポリウレタンシールの配合、加工、設計の進歩により、NBRの業界における地位は急速に低下しています。NBRの最も有用な特性は、耐摩耗性、流体適合性、耐オゾン性、機械的強度、そしてこれらの特性を低温でも維持できることです。
ポリウレタンは、主軸受／発電機、縦軸受および横軸受のシールに最適な材料となっています。しかし、既存の構造における材料の置き換えだけでは不十分な場合が多く、シールはポリウレタンを考慮して設計する必要があります。
ポリウレタンの耐摩耗性を評価する方法の一つは、ASTM D5963などの標準化されたドラム摩耗試験です。この試験法は通常ゴムの評価に用いられますが、ポリウレタンにも適用され、特に摩耗速度の比較に有効です。以下は、クリーブランドのSystem Seals社が試験した様々な材料の摩耗指数（ARI）です。NBRとHNBRのARIは約1.5であるのに対し、ポリウレタンのARIは4～8です。これは最大6倍の改善です。
ポリウレタンは、時間の経過とともに、また様々な流体、特に油性流体への曝露後もARI値を維持します。これを確認する一つの方法は、ASTM D5963摩耗試験片を100℃（水性流体の場合は80℃）の流体に90日間浸漬し、30日ごとに試験を繰り返すことです。以下は典型的な結果ですが、各流体ごとに確認することをお勧めします。
図 3. 蒸留鉱油中で 100°C で熟成した後の NBR および耐加水分解性ポリウレタンにおける ARI の保持。
仕様書では完成流体との適合性を示していますが、特定の流体に曝露された材料の長期的な性能と安定性は、加速劣化試験（または使用年数）によって判断する必要があります。System Sealsは、標準的な168時間試験ではなく、90日間の流体適合性試験を実施します。これは、System Sealsが168時間の流体曝露後に主要な材料特性の顕著な変化を一貫して検出するためです。
カスタマイズされたポリウレタンは、風力エネルギー業界で最も一般的に使用されている潤滑剤であるNBRと比較して、優れた流体抵抗を示します。以下は、これらの一般的な潤滑剤の適合性表です。
NBRはオゾン分解の影響を受けやすいことが知られています。オゾン分解とは、オゾン分子が不飽和NBRの化学結合を切断する現象です。ニトリルブタジエンゴム（NBR）は、わずかな変形を受けただけでもオゾン割れが発生することがよくあります。解決策の一つは、NBRにワックスを注入し、NBRを保護するオゾンバリアを形成することです。しかし、ワックスはNBRの化学結合を変化させません。ワックスが除去されるような環境条件にNBRがさらされると、再び劣化しやすくなります。風力エネルギーシールに使用される一部の特殊ポリウレタンは、もともとオゾン耐性を備えています。
ポリウレタンの弾性率、強度、伸びは、ほとんどのNBRの2～3倍です。その結果、ポリウレタンシールはより大きな機械的変形や高い機械的負荷に耐えることができます。
一般的なNBRの弾性率は10～15MPa、引張強度は20MPaです。ほとんどのポリウレタンの弾性率は45～60MPa、引張強度は50～60MPaです。これは、NBRよりも硬度が低いことを意味し、形状保持性と圧力負荷に対する耐性が向上します。
風力タービンでは、高温は通常問題になりません。しかし、場所や高度によっては、最低気温が-40℃になることも珍しくありません。標準的なNBRの最低動作温度は-20℃ですが、動的機械分析の結果、多くの風力エネルギー用ポリウレタンは-40℃までの温度でも影響を受けないことが示されています。
ポリウレタンは、優れた機械的特性、優れたオゾン耐性、低い摩耗率、そして低い動作温度といった特性から、風力発電用シールに最適な選択肢です。以下は、ポリウレタンが適している2つの用途グループです。左の画像は、ポリウレタン製ベアリングシールの変形と接触特性のシミュレーション結果です。右の画像は、システムシール社のスワールシールです。これは、ベアリングの回転に合わせて潤滑剤をリザーバーに継続的に送り込むメインベアリングシールです。
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投稿日時: 2023年12月24日